DE112010003765T5 - Modified NuII-voltage-transition full-bridge converter and self-supporting photovoltaic array - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung, ein modifizierter Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler (ZVT), ist ein isolierter dc/dc-Wandler, der mit hoher Effizienz und hoher Zuverlässigkeit bei Anwendungen arbeiten kann, die eine niedrige Eingangsspannung und eine hohe Ausgangsspannung erfordern.The present invention, a modified zero voltage transition full bridge converter (ZVT), is an isolated dc / dc converter that can operate with high efficiency and high reliability in applications requiring a low input voltage and a high output voltage.
Description
Bezug zu anhängiger früherer PatentanmeldungReference to pending earlier patent application
Diese Patentanmeldung beansprucht den Nutzen aus der anhängigen früheren US Provisional Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/277,510, eingereicht am 25.9.2009 von Gregory Kern für MODIFIED ZERO VOLTAGE TRANSISSION FULL BRIDGE CONVERTER (Aktenzeichen des Anwalts GRRAY-6 PROV), wobei die Patentanmeldung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.This patent application claims the benefit of pending earlier US Provisional Patent Application Serial No. 61 / 277,510 filed on Sep. 25, 2009 by Gregory Kern for MODIFIED ZERO VOLTAGE TRANSISSION FULL BRIDGE CONVERTER (Attorney's Docket GRRAY-6 PROV), the patent application of which is herein incorporated by reference Reference is incorporated.
Gebiet der ErfindungField of the invention
Diese Erfindung betrifft Leistungswandler und Photovoltaikanordnungen (PV) im Allgemeinen und insbesondere Schaltleistungswandler und Photovoltaikanordnungen, und noch spezieller ein weiches Schalten von isolierten Leistungswandlern und Photovoltaikanordnungen.This invention relates generally to power converters and photovoltaic (PV) arrays, and more particularly to switching power converters and photovoltaic arrays, and more particularly to soft switching of isolated power converters and photovoltaic arrays.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler (Zero Voltage Transission (ZVT) Full Bridge Converter) ist ein wohlbekannter dc/dc-Schaltwandler, der derart gesteuert werden kann, dass die Schaltelemente in der Vollbrücke, typischerweise MOSFETs oder IGBTs, unter Null-Spannung-Bedingungen geschaltet werden. Spezieller, und nun
Als nächstes
Der ZVT-Vollbrückenwandler kann in diskontinuierlichem Leitungsmodus (discontinuous conduction mode, DCM), kontinuierlichem Leitungsmodus (continuous conduction mode, CCM) oder kritischem Leitungsmodus (critical conduction mode, CrCM) betrieben werden. Der diskontinuierliche Leitungsmodus (DCM) ist ein Arbeitsmodus, bei dem der Hauptinduktorstrom bei jedem Schaltzyklus zu Null zurückkehrt. Der kontinuierliche Leitungsmodus (CCM) ist ein Betriebsmodus, bei dem der Hauptinduktorstrom nicht bei jedem Schaltzyklus zu Null zurückkehrt. Der kritische Leitungsmodus (CrCM) ist direkt am Übergang zwischen den beiden zuvor genannten Leitungsmoden.The ZVT full bridge converter can be operated in discontinuous conduction mode (DCM), continuous conduction mode (CCM) or critical conduction mode (CrCM). The discontinuous conduction mode (DCM) is a working mode in which the main inductor current returns to zero each switching cycle. Continuous Line Mode (CCM) is an operating mode in which the main inductor current does not return to zero each switching cycle. The critical conduction mode (CrCM) is directly at the junction between the two aforementioned line modes.
Der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler
Der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler
Der Primärinduktor
In Photovoltaik-Anwendungen ist es häufig gewünscht, von einer niedrigen Spannung (zum Beispiel < 50 Volt Gleichspannung) hoch zu einer hohen Spannung (zum Beispiel über 200 Volt Gleichspannung) zu wandeln, mit Isolation zwischen dem Eingang und den Ausgang. Photovoltaikanordnung-Anwendungen erfordern typischerweise auch hohe Zuverlässigkeit, hohe Effizienz und niedrige Kosten.In photovoltaic applications, it is often desirable to convert from a low voltage (for example <50 volts DC) high to a high voltage (for example above 200 volts DC), with isolation between the input and the output. Photovoltaikanordnung- Applications also typically require high reliability, high efficiency and low cost.
Angesichts der vorangehenden Ausführungen wird erkannt, dass ein herkömmlicher ZVT-Vollbrückenwandler (zum Beispiel der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler aus
Es besteht daher ein Bedarf an einem neuen und verbesserten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, der einen verbesserten Betrieb bei Anwendungen ermöglicht, die einen hohen Spannungsausgang erfordern, und insbesondere eine Verwendung in Photovoltaik-Anordnung-Anwendungen.There is therefore a need for a new and improved zero-voltage-transition full-bridge converter that enables improved operation in applications requiring high voltage output, and more particularly, use in photovoltaic array applications.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung umfasst die Bereitstellung und Verwendung eines neuen modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, der einen verbesserten Betrieb bei Anwendungen, die einen Hochspannungsausgang erfordern, ermöglicht. Der neue modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen ähnlich zu dem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler aus
Ein Eliminieren des Ausgangsinduktors
Erstens wird der Eingangsinduktor
Zweitens zwingt ein Eliminieren des Ausgangsinduktors
Drittens erlaubt die Eliminierung des Ausgangsinduktors
Photovoltaik-Anwendungen bedürfen typischerweise hoher Zuverlässigkeit, hoher Effizienz und niedriger Kosten. Diese Anforderungen sind üblicherweise gegensätzlich zueinander und es muss ein Kompromiss herbeigeführt werden. Der modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler der vorliegenden Erfindung wird gegenüber dem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler aus
Bei einem Betrieb in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) gibt es, zusätzlich zu den vorangehend gesagten, eine Periode, in der die Wellenform an dem Ausgang der Vollbrücke (der Schaltvorrichtungen
In einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein modifizierter Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler angegeben, bestehend aus:
einem Paar von Eingangsleitungen;
einem Paar von Ausgangsleitungen;
einem Eingangskondensator, der das Paar von Eingangsleitungen überspannt;
einer Anordnung aus Schaltvorrichtungen, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet ist, welche das Paar von Eingangsleitungen nach dem Eingangskondensator überspannt;
einem Paar von Steuerleitungen, verbunden mit der Anordnung aus Schaltvorrichtungen;
einem Induktor in Serie mit der Primärseite eines Transformators, wobei die freie Leitung des Induktors und die freie Leitung der Primärseite des Transformators mit dem Ausgang der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden ist;
einen Diodengleichrichter, verbunden mit der Sekundärseite des Transformators, wobei der Ausgang des Diodengleichrichters mit dem Paar von Ausgangsleitungen verbunden ist; und
ein Ausgangskondensator, der das Paar von Ausgangsleitungen überspannt.In a preferred form of the present invention, there is provided a modified zero-voltage-transition full-bridge converter comprising:
a pair of input lines;
a pair of output lines;
an input capacitor that spans the pair of input lines;
an array of switching devices arranged in a full-bridge configuration that spans the pair of input lines to the input capacitor;
a pair of control lines connected to the arrangement of switching devices;
an inductor in series with the primary side of a transformer, the free line of the inductor and the free line of the primary side of the transformer being connected to the output of the array of switching devices;
a diode rectifier connected to the secondary side of the transformer, the output of the diode rectifier being connected to the pair of output lines; and
an output capacitor that spans the pair of output lines.
In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungssystem angegeben, aufweisend:
eine Photovoltaikanordnung mit einem Ausgang;
ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, verbunden mit dem Ausgang der Photovoltaikanordnung, wobei der Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler ein Paar von Steuerleitungen zum Steuern des Betriebs des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers aufweist; und
ein Leistungsverfolgungsmodul, verbunden mit dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers und mit dem Paar von Steuerleitungen, wobei das Leistungsverfolgungsmodul dazu ausgelegt ist, die an das Paar von Steuerleitungen angelegten Signale anzupassen, basierend auf dem Ausgang des Null-Spannung-Übergangs-Vollbrückenwandlers, um so den Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers zu optimieren.In another preferred form of the present invention, there is provided a performance system comprising:
a photovoltaic array with an output;
a zero voltage transition full bridge converter connected to the output of the photovoltaic array, the zero voltage transition full bridge converter having a pair of control lines for controlling the operation of the zero voltage transition full bridge converter; and
a power tracking module connected to the output of the zero voltage transition full bridge converter and to the pair of control lines, the power tracking module configured to adjust the signals applied to the pair of control lines based on the output of the zero voltage transition Full-bridge converter so as to optimize the output of the zero-voltage-transition full-bridge converter.
In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Spannung angegeben, aufweisend:
Bereitstellen eines modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, wobei der modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler besteht aus:
einem Paar von Eingangsleitungen;
einem Paar von Ausgangsleitungen;
einem Eingangskondensator, der das Paar von Eingangsleitungen überspannt;
einer Anordnung aus Schaltvorrichtungen, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind, die das Paar von Eingangsleitungen nach dem Eingangskondensator überspannt;
einem Paar von Steuerleitungen, die mit der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden sind;
einem Induktor in Serie mit der Primärseite eines Transformators, wobei die freie Leitung des Induktors und die freie Leitung der Primärseite des Transformators mit dem Ausgang der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden sind;
einem Diodengleichrichter, der mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist, wobei der Ausgang des Diodengleichrichters mit dem Paar von Ausgangsleitungen verbunden ist; und
einem Ausgangskondensator, der das Paar von Ausgangsleitungen überspannt;
Anlegen einer Spannung an das Paar von Ausgangsleitungen; und
Anlegen von Signalen an das Paar von Steuerleitungen, um so die Ausgangsspannung des Paars von Ausgangsleitungen zu steuern.In another preferred form of the present invention, there is provided a method of converting stress, comprising:
Providing a modified zero-voltage transition full-bridge converter, wherein the modified zero-voltage-transition full-bridge converter consists of:
a pair of input lines;
a pair of output lines;
an input capacitor that spans the pair of input lines;
an array of switching devices arranged in a full-bridge configuration that spans the pair of input lines after the input capacitor;
a pair of control lines connected to the arrangement of switching devices;
an inductor in series with the primary side of a transformer, the free line of the inductor and the free line of the primary side of the transformer being connected to the output of the array of switching devices;
a diode rectifier connected to the secondary side of the transformer, the output of the diode rectifier being connected to the pair of output lines; and
an output capacitor that spans the pair of output lines;
Applying a voltage to the pair of output lines; and
Applying signals to the pair of control lines so as to control the output voltage of the pair of output lines.
In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von Leistung angegeben, aufweisend:
Bereitstellen eines Leistungssystems aufweisend:
eine Photovoltaikanordnung mit einem Ausgang;
ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, der mit dem Ausgang der Photovoltaikanordnung verbunden ist, wobei der Null-Spannung-Übergang-Wandler ein Paar von Steuerleitungen zum Steuern des Betriebs des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers aufweist; und
ein Leistungsverfolgungsmodul, das mit dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers und mit dem Paar von Steuerleitungen verbunden ist, wobei das Leistungsverfolgungsmodul dazu ausgelegt ist, die an das Paar von Steuerleitungen angelegten Signale anzupassen, basierend auf dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, um so den Ausgang des Null-Spannung-Übergangs-Vollbrückenwandlers zu optimieren; und
Anlegen von Signalen an das Paar von Steuerleitungen, um so die Ausgangsspannung an dem Paar von Ausgangsleitungen zu steuern.In a further preferred form of the present invention, there is provided a method for generating power, comprising:
Providing a power system comprising:
a photovoltaic array with an output;
a zero-voltage-transition full-bridge converter connected to the output of the photovoltaic array, the zero-voltage transition converter having a pair of control lines for controlling the operation of the zero-voltage-transition full-bridge converter; and
a power tracking module connected to the output of the zero voltage transition full bridge converter and to the pair of control lines, the power tracking module adapted to be connected to the pair of Adjusting control lines based on the output of the zero-voltage-transition full-bridge converter so as to optimize the output of the zero-voltage-transition full-bridge converter; and
Applying signals to the pair of control lines so as to control the output voltage on the pair of output lines.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden vollständiger offenbart oder offensichtlich durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden soll, und wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen, und wobei ferner gilt:These and other objects and features of the present invention will be more fully disclosed or apparent from the following detailed description of the preferred embodiments of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals refer to like parts and wherein:
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments
Als nächstes
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist der Ausgangsinduktor
Detaillierter ausgeführt und immer noch bezugnehmend auf
Nun Bezug nehmend auf das Zeitgebungsdiagramm aus
Dieser Typ von Steuerung wird typischerweise als Phasensteuerung bezeichnet. Er wird üblicherweise bei fester Frequenz durchgeführt, kannte aber auch eine variable Frequenz aufweisen. Eine Leistungsversorgung wird gesteuert durch Anpassen des Phasenwinkels zwischen den zwei Steuersignalen
Wenn das erste Steuersignal
Eine ähnliche Arbeitsweise tritt für den negativen Induktorstrom während der anderen Hälfte des Schaltzyklus auf, das heißt, wenn das erste Steuersignal
Weiterhin Bezug nehmend auf den modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler
In einer bevorzugten Form des modifizierten ZVT-Vollbrücken-Wandlers
Die spezifischen Konstruktionsdetails der vorliegenden Erfindung können modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Induktor
Die Vorteile des modifizierten ZVT-Vollbrückenwandlers der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne Beschränkung, höhere Zuverlässigkeit und Effizienz als bei den herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler, wie er in
Breit ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung ein isolierter dc/dc-Wandler, der mit hoher Effizienz und hoher Zuverlässigkeit bei Anwendungen operiert, die eine niedrige Eingangsspannung und eine hohe Ausgangsspannung erfordern.Broadly, the present invention is an isolated dc / dc converter that operates with high efficiency and high reliability in applications requiring low input voltage and high output voltage.
Zusätzlich zu dem vorher Gesagten, und wie oben ausgeführt, gibt es, wenn im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) operiert wird, eine Periode, in der die Wellenform am Ausgang der Vollbrücke (von Schaltvorrichtungen
Als nächstes
Während die vorangehende schriftliche Beschreibung der Erfindung einen Fachmann dazu befähigt, dasjenige auszubilden und zu nutzen, was derzeit als der beste Modus davon angesehen wird, wird ein Fachmann die Existenz von Variationen, Kombinationen und Äquivalenten der spezifischen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele hierin verstehen und erkennen. Die Erfindung soll daher nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele beschränkt sein, sondern durch alle Ausführungsformen und Verfahren innerhalb des Gedankens und des Umfangs der vorliegenden Erfindung.While the foregoing written description of the invention enables one skilled in the art to make and use what is currently considered the best mode thereof, one skilled in the art will understand and appreciate the existence of variations, combinations, and equivalents of the specific embodiments, methods, and examples herein , The invention is therefore not intended to be limited to the embodiments, methods, and examples described above, but by all embodiments and methods within the spirit and scope of the present invention.
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